Метасоматизм, его проблемы и роль в геологической историии

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3

Метасоматизм……………………………………………………………………..5

Проблемы метасоматизма………………………………………………………..9

Роль метасоматизма в геологической истории………………………………...30

Список использованной литературы…………………………………………...33

Введение

Понятие, введенное К.Ф. Науманном в середине 19 столетия в качестве псевдоморфного замещения минералов, которые образовались путем химического замещения минерала эдуктов. Это был первый этап изучения минералов в горных породах - петрографический. Второй этап - химический, введенный В.М. Гольдшмидтом (1933) и Д.С. Коржинским (1953).

Эти исследователи стали понимать метасоматизм в отличие от метаморфизма как всякое замещение горных пород с изменением химического состава, при котором растворение старых минералов и отложение новых происходило почти одновременно, так что в течение процесса замещения порода всё время сохраняется в твердом состоянии. Причем Д.С. Коржинский вывел ряд подвижности компонентов, в котором если вполне подвижными оказывались только Н2О и СО2, то этот процесс относится к метаморфизму, а если вполне подвижными становятся щелочные металлы и все двух- и многовалентные, то этот процесс считается метасоматизмом. При этом Д.С. Коржинский не делал различия по происхождению компонентов, а В.М. Гольдшмидт считал, что в образующийся минерал обязательно должен присутствовать химический элемент замещаемого минерала, а если все компоненты образующегося минерала оказываются привнесенными, то такой процесс он называл импрегнацией.

Третий этап топохимический. В.Г. Боголеповым установлено, что метасоматоз как процесс замещения минерала в горных породах в гидротермальных условиях является не одноактным, а распадается на два периода: псевдоморфный и тропорморфный (Боголепов, 1965, 1982. 2005), при которых вначале образуются псевдоморфозы замещения, а затем происходит затушевка псевдоморфных структур метаморфогенными структурами (грано-, лепидо- или нематобластовыми), что подтверждается и экспериментами (Казицын. 1967; Зарайский. 1969), хотя сами авторы на эту сторону внимания не обращали. Сами же реакции являются топохимическими (τоπо) - место, т.е. реакции, привязанные к определенному месту. Псевдоморфный период вслед за К.Ф. Науманном, мы назвали  метасоматизмом (метасоматозом), а тропоморфный - тропосоматозом.

Метасоматизм

Метасоматизм (метасоматоз) - это процесс псевдоморфного замещения неустойчивых минералов в горных породах. Он происходит при резко неравновесной гетерогенной топохимической реакции в кинетической области зоны взаимодействия растворов с горной породой, которая идет при проникновении привнесенных ионов (I группы) в неустойчивый минерал, где этот ион соудаляется с ионами этого минерала (II группы). Происходит элементарный акт реакции и образуется новый минерал I внутри разлагающегося минерала. Так образуются псевдоморфозы замещения при условии, когда лимитирующей стадией этой реакции является константа её скорости (k) по сравнению со скоростью диффузии проникающего иона (), т.е. реакция идет при k. Так минерал за минералом замещается вся порода при сохранении устойчивых минералов на месте. Появляются псевдоморфные структуры у метасоматитов. При этом процессе происходит привнес ионов I группы и частичный вынос ионов II группы.

              Продукты метасоматоза - метасоматиты (метасоматические горные породы) как правило имеют гранобластовые структуры, могут наследовать текстуры исходных пород или образовывать собственные текстуры от массивной до ритмично-полосчатой. Характерными чертами метасоматоза, отличающими его от других процессов, является сохранение первоначального объема (правило Линдгрена) и наличие метасоматической зональности, при которой количество минералов в каждой зоне закономерно уменьшается по направлению к тыловой зоне (источнику флюида).

По типу привноса-выноса компонентов метасоматоз подразделяется на диффузионный и инфильтрационный типы. При диффузионном метасоматозе движущей силой диффузии для переноса компонентов является разница химических потенциалов (химической активности) компонентов в межпоровом растворе различных зон метасоматической колонки. За счет диффузионного метасоматоза обычно образуются относительно тонкие метасоматические колонки около трещин, жил, на контакте пород контрастного состава. Характерным признаком диффузионных метасоматитов является постепенное изменение составов минералов в пределах каждой зоны метасоматической колонки.

При инфильтрационном метасоматозе перенос компонентов осуществляется растворами, фильтрующимися сквозь породу. Объемы тел, образующихся за счет инфильтрационного метасоматоза значительно больше. Составы минералов в пределах каждой зоны метасоматической колонки остаются постоянными. Главными факторами метасоматоза являются температура, давление и состав флюида (раствора), вызывающего метасоматические преобразования. Метасоматоз осуществляется в очень широком диапазоне температур и давлений. Причиной экзогенного метасоматоза являются поверхностные воды, эндогенного метасоматоза - гидротермальные и надкритические растворы. В глубинных частях литосферы и в мантии метасоматоз может происходить при высоких температурах и высоких давлениях. При этом, свойства среды, переносящей компоненты, лежат между состоянием флюида и флюидонасыщенной магмы. Эти процессы относят к мантийному метасоматозу.

По характеру воздействующих на исходные горных пород флюидов метасоматоз может быть разделен на кремнещелочной, щелочной, кислотный, известковый, магнезиально-железистый и другие. Метасоматические процессы как правило связаны с крупными интрузивными телами. Для таких процессов Д.С.Коржинский выделил метасоматоз магматической и постмагматической стадии. На магматической стадии преобладает ювенильный флюид, выделяющийся из магмы в процессе ее кристаллизации. На постмагматической стадии в циркуляцию вовлекается значительное количество метеорного флюида, образующего конвективные ячейки в приконтактовых зонах интрузивов. Эволюция постмагматических растворов с понижением температуры проявляется последовательной сменой состава флюида и выделяется раннещелочная стадия, стадия кислотного выщелачивания и позднещелочная стадия метасоматоза, связанного с интрузивами. Изменение кислотности-щелочности флюида создает геохимические барьеры для многих рудных компонентов, вызывая резкое изменение их растворимости во флюиде и за счет этого формируются самые разнообразные месторождения полезных ископаемых.

По характеру замещения исходных пород выделяются несколько специфических типов метасоматоза:

      автометасоматоз – тип метасоматоза, характерный для верхних частей магматических тел и ранней постмагматической стадии. Типичным примером автометаасоматоза является альбитизация в гранитных массивах.

      Контактовый метасоматоз – метасоматоз, возникающих на контакте магматического тела и вмещающих пород. При контактовом метасоматозе породы могут отражать различные стадии эволюции магматической системы. Выделяются эндоконтактовые зоны метасоматической колонки (развивающиеся по изначально магматическим породам) и экзоконтактовые зоны (развивающиеся по вмещающим породам).

      Биметасоматоз – разновидность контактового метасоматоза, при которой изменяются породы по обе стороны от контакта за счет двусторонней диффузии различных компонентов.

      Околожильный метасоматоз – тип диффузионного метасоматоза, при котором формируется симметричная метасоматическая зональность с каждой стороны жилы, по которой фильтруются растворы.

      Региональный метасоматоз - занимает огромные площади в различных геологических обстановках. Обычно он имеет щелочную специфику и связан с внедрением крупных магматических тел, образуя самые внешние зоны метасоматических колонок, связанных с рудными месторождениями.

Проблемы метасоматизма

Метасоматиты образуются при взаимодействии контрастных горных пород между собой или горных пород с агрессивным раствором (расплавом). Так же, как при метаморфизме, в течение процесса сохраняется твердое состояние породы, но при этом изменяется ее химический состав, происходит привнос и вынос вещества. Соответственно, пределы изменения составов метасоматитов несколько шире, чем метаморфических горных пород.

История изучения метасоматитов, процессов их образования и экспериментального моделирования необычна и резко отличается от изучения магматизма и метаморфизма. Уже работы середины XIX века (Г. де Сенармон, А.Добрэ, С.-К.Девиль), в которых исследовали воздействие пара на стекла и другие твердые вещества, по существу воспроизводили метасоматические процессы. Однако, научный подход как к их изучению в природе, так и к экспериментальному моделированию стал возможен только начиная с 50-х годов после создания Д.С.Коржинским строгой физико-химической теории метасоматизма. Многие ее следствия, например, неизбежность резких фронтов замещений, принципиально расходились с представлениями геологов. Резкость границ между зонами раньше рассматривали как доказательство прерывистости метасоматических процессов и результат воздействия последовательных порций гидротермальных растворов. Поэтому одной из актуальных задач стала проверка главных положений теории метасоматоза.

Согласно теории, для этих процессов характерны следующие особенности.

      Обязательным результатом метасоматоза является возникновение правильной зональности (метасоматической колонки).

      Разрастание нескольких метасоматических зон происходит одновременно.

      При неравновесности процесса в целом в каждой точке колонки достигается локальное равновесие.

      На границах зон образуются резкие фронты замещения, на каждом из которых один из минералов породы полностью исчезает.

      По мере возрастания интенсивности метасоматического преобразования исходной породы число фаз (минералов) в зонах уменьшается.

      При разрастании метасоматичекой зональности состав зон остается постоянным.

Первое лабораторное воспроизведение метасоматической зональности осуществлено Я..И. Ольшанским и С.А. Брусиловским при комнатной температуре и атмосферном давлении в 1958 г. Медленное просачивание чистой воды или 10% раствора серной кислоты через смесь порошка кварца с бихроматом или хроматом калия приводило к образованию контрастных по окраске метасоматических зон с резкими границами.

Другая группа специфических проблем связана с неравновесностью метасоматического процесса в целом (при установлении локального равновесия в каждой точке возникающей зональности) и необходимостью получения его динамических характеристик. Как и для метаморфических пород, остается задача определения температуры и давления образования, но еще более актуальным становится реконструкция состава воздействующего флюида. Последнее особенно важно для понимания связи метасоматизма и рудообразования.

В процессе экспериментального изучения метасоматоза выработаны два подхода: исследование отдельных равновесий и моделирование процесса в целом. Первый путь принципиально сходен с изучением метаморфических реакций; кстати, получаемая при этом информация о температуре, давлении, летучестях воды, углекислоты, кислорода в равной мере представляет интерес для генезиса как метаморфических пород, так и метасоматитов.

Для изучения зависимости равновесий от концентраций (активностей, химических потенциалов) компонентов их поведение в опыте должно приближаться к вполне подвижному. Это может быть достигнуто применением буферных смесей, примерами которых могут служить кислородные буферы. Действие последних подробно описано в главе "Методика эксперимента". Другой методический прием - многократное превышение в опыте объема раствора над твердой навеской (метод большой ампулы). Любые процессы в последней не могут привести к заметному изменению концентрации в растворе. Возможна также фильтрация раствора через навеску, так чтобы она все время находилась в контакте со средой заданной концентрации. Для конкретного случая калиевого кислотного метасоматоза важнейшими являются равновесия андалузита, пирофиллита и каолинита с мусковитом и калиевым полевым шпатом (рис. 1).